Les mutations profondes observées au cours des vingt-cinq dernières années dans le monde de l'électronique ont actuellement cours en biologie, en partie grâce aux biotechnologies. Le concept communément appelé "laboratoire sur puce" (Lab-On-Chips, LOC) doit son essor à l'effort considérable qui a été mené en matière de développement des technologies de micro-fabrication. Le nombre d'outils technologiques disponibles actuellement pour la fabrication de réseaux microfluidiques est important mais la réalisation de systèmes complexes tridimensionnels reste encore un challenge. Le développement des micro- et nanotechnologies à de nouveaux matériaux comme les polymères, et en particulier la SU-8, a permis d'ouvrir la voie à une intégration plus élaborée telle que nous la présentons dans ce travail de thèse. Nous y exposons la démarche et les détails d'une approche consistant en la conception, la modélisation et la fabrication de dispositifs d'actionnement magnétique intégrés au sein de réseaux microfluidique en SU-8 pour la manipulation de billes magnétiques ; le tout étant élaboré sur un substrat souple de type PET. Le développement des outils de caractérisations des systèmes réalisés a également été présenté. Ils ont permis la mise en place d'un protocole expérimental visant à évaluer et quantifier les différents paramètres électriques, thermiques, fluidiques et magnétiques concourant à obtenir un dispositif LOC efficient dans la circulation de fluides, le piégeage de billes magnétiques, leur transfert d'une zone à un autre et leur orientation guidée vers des canaux privilégiés.

Conception, réalisation et mise en Suvre d'une plateforme d'instrumentation thermique pour des applications microfluidiques. Le concept de laboratoire sur puce ou lab-on-chip est basé sur le fait que l'on peut remplacer plusieurs appareils d'analyse nécessitant de l'entretien et des opérateurs par un système portable et autonome qui contient toutes les fonctions nécessaires afin de réaliser les opérations de laboratoire. Ce concept peut aussi bien s'appliquer à des taches pour l'industrie chimique, biologique ou encore médicale. Dans notre cas il s'agit de contrôler la température dans une canalisation microfluidique, et s'il y a besoin, de pouvoir influer sur cette température grâce à des actionneurs thermiques. La thèse a donc consisté à réaliser une plateforme d'instrumentation thermique pour ces applications. Nous avons développé un procédé de fabrication de capteurs thermiques simple et robuste : l'élément sensible de base est une diode PN de type zener, réalisée dans un film de polysilicium, qui présente la particularité d'être un composant dual (fonctionnement en capteur ou actionneur thermique selon la polarisation). La caractérisation électrique a permis de mettre en avant des sensibilités thermiques de.-22 mV/°C à -220 mV/°C pour les éléments les plus performants. La capacité de ces dispositifs à mesurer la température dans un environnement microfluidique a été démontrée. La dernière phase a concerné le développement d'une carte électronique dédiée permettant une mesure multiplexée de la température pour l'ensemble des capteurs (16 capteurs par plateforme) et le transfert des données sur PC pour effectuer le post traitement.

Notre sujet de recherche vient d'une demande de cliniciens pour obtenir en grande quantité des hybridomes issus de la fusion entre cellules cancéreuses et cellules dendritiques. Ces travaux s'insèrent dans la recherche contre le cancer par un procédé proche de la vaccination, appelé immunothérapie du cancer. Il existe actuellement des dispositifs commercialisés, mais ceux-ci ne parviennent pas à produire de façon importante des hybridomes de qualités. L'idée était donc de se placer à l'échelle des cellules, pour interagir sur elles de façon précise, tout en bénéficiant de la miniaturisation pour contrôler un grand nombre de cellules en parallélisant le dispositif. Restait à choisir quelles forces utiliser pour agir sur les cellules pour les déplacer, les placer et les fusionner, car à l'échelle microscopique le rapport des forces sont différents de ceux à notre échelle. Nous avons opté pour l'emploi de la microfluidique pour le transport des cellules, de la diélectrophorèse pour les positionner et de l'électrofusion pour les fusionner. Ce projet est à la conjonction de savoir-faire dans les domaines de la microtechnologie, de l'interaction champs électriques-cellules et de la biologie cellulaire.

Cette thèse présente divers dispositifs fonctionnant sur le principe de la microfluidique diphasique et dédiés aux analyses biologiques.<br /> Dans une première partie, nous décrivons la conception d'un système permettant d'effectuer en flux et sans contamination la réaction de PCR dans des microgouttes transportées par une huile immiscible. Cette étude a débouché sur une plateforme automatisée au débit théorique de 3000 échantillons par jour, égalant les systèmes actuels avec une consommation 50 fois moindre en réactifs.<br /> Dans les parties suivantes, nous présentons deux nouvelles idées pour la manipulation d'objets en microfluidique digitale : l'utilisation de phénomènes hydrodynamiques pour encapsuler des cellules uniques dans des microgouttes et les trier, et l'application de champs électriques pour induire mélange et coalescence de gouttes aqueuses. La combinaison de ces deux méthodes au sein d'une même puce est le premier pas vers un système intégré d'analyse de cellules uniques.

La technologie de la microencapsulation comprend généralement deux procédés : les procédés de production de microgouttes/microémulsions et les procédés de leur encapsulation. A cause de difficultés de calibrer la taille de microgouttes, des microcapsules ont souvent une grande dispersion sur leur taille. La technologie microfluidique permet d'améliorer la monodispersité de microcapsules.<br />Cette thèse a pour objet la conception et la réalisation d'un système microfluidique pour la production de gouttes calibrées et leur encapsulation. La contribution de cette thèse consiste en trois aspects : le premier concerne les effets géométriques sur la formation de goutte ; le deuxième concerne la dynamique des écoulements, le comportement d'écoulement laminaire, les propriétés physico-chimiques des couples diphasiques sur la taille de gouttes, les lois corrélant la taille de gouttes. Troisièmement, un système microfluidique est conçu dans lequel le procédé complet de la microencapsulation est réalisé pour la fabrication de microcapsules monodisperses. Les perspectives d'applications sont nombreuses.

Le développement important de la chimie haut-débit, rendu possible par l'avènement de la microfluidique, apporte des besoins croissants en méthodes de caractérisation rapides et ne nécessitant que des volumes d'échantillons réduits. Ces travaux de thèse ont permis de développer un dispositif à ondes acoustiques de surface associé à une puce microfluidique dans le but de caractériser les propriétés rhéologiques de fluides complexes. À partir de volumes de l'ordre du microlitre, des phénomènes tels que l'apparition d'enchevêtrements dans des polymères en solution ont pu être observés. Une méthode de caractérisation du module de rigidité transverse complexe a également été développée, permettant d'envisager la conception d'un micro-rhéomètre à ondes acoustiques.

Cette thèse a pour objet de coupler la microfluidique et la microthermique pour réaliser des dispositifs miniaturisés de mesure et de contrôle de température. Nous avons utilisé les faibles constantes de temps des échanges thermiques aux échelles micrométriques et la capacité d'intégration offerte par la microfluidique, pour développer de nouveaux outils afin d'explorer d'autres domaines scientifiques. Dans le domaine de la physique, nous avons fabriqué un micro-conductimètre thermique afin d'étudier certaines des propriétés thermiques des nanofluides. Dans le domaine de la thermochimie nous avons mis au point un microcalorimètre à flux continu intégrable dans un laboratoire sur puce. Les possibilités offertes par la rapidité des transferts thermiques aux échelles micrométriques nous ont permis de développer des dispositifs de contrôle de température appliqués à la biologie cellulaire. Ce type de dispositif permet de confiner une colonie de cellules et d'effectuer des changements de température du milieu, en quelques secondes. Nous avons ainsi la possibilité de contrôler l'activité de protéines thermosensibles et d'étudier certaines propriétés du cytosquelette de S.Pombe. Les caractéristiques de ce type de dispositif ouvrent la voie à de nouvelles recherches en biologie cellulaire, particulièrement sur le rôle de protéines d'intérêt thérapeutique rendues préalablement thermosensibles.

La récente progression des techniques de fabrication et la nécessité de miniaturiser des systèmes de détection et de diagnostic a permis l'émergence d'un nouveau champ de recherche appelé laboratoires sur puces. Le déplacement et la manipulation de fluides d'intérêt biologique à l'échelle micrométrique a ouvert la voie à de nombreux phénomènes basés sur des champs électriques. Parmi ceux-ci, l'électromouillage a été développé en tant qu'actionnement de volumes finis de liquides, et parallèlement, l'électroosmose comme actionnement de flux. Les travaux de cette thèse traitent de l'intégration de ces deux phénomènes sur des microsystèmes d'ores et déjà existant. Dans un premier temps, nous présentons l'utilisation de l'électromouillage dans un système de dépôts par contact (à base de microleviers), liquides de dimensions caractéristiques micrométriques. L'application d'une tension électrique entre le substrat conducteur et un fluide, modifie l'énergie de ce dernier provoquant son étalement sur le solide et préférentiellement dans les canaux de l'outil de dépôt. Nous obtenons, ainsi, une méthode originale et propre de chargement des leviers diminuant les volumes nécessaires. Mais, également, en appliquant la tension entre le liquide et le substrat de dépôt, nous modulons le volume et la surface déposés et ce même sur des surfaces très hydrophobes. Afin d'expliquer et confirmer les observations, un modèle théorique décrivant l'électromouillage sur les microleviers a été proposé et expérimentalement vérifié, faisant de cet actionnement électrique de fluide un candidat prédictif et fiable de manipulation de volumes finis de liquides. Dans un second temps, nous avons utilisé l'électroomose afin de concentrer des particules sur une micromembrane piezoélectrique résonante. Cet actionnement électrique de fluide permet d'augmenter sensiblement le nombre de particules à la surface du capteur et ainsi d'améliorer ses performances. Un modèle théorique complet est proposé pour déc rire les effets du champ électrique sur le fluide et les objets en suspension et permet d'aboutir à de nombreuses données prédictives. Celles-ci ont ensuite été confirmées à l'aide de structures de tests spécifiquement fabriquées et une concentration 105 fois supérieure à celle obtenue par diffusion a été constatée. La dernière étape de ces travaux, l'utilisation des concentrateurs dans un milieu liquide biologique, a posé plus de problèmes que prévus et n'a pas permis d'obtenir les résultats escomptés. Néanmoins les observations d'ores et déjà réalisées nous laissent à penser que cet actionnement électrique de fluide demeure un excellent candidat pour diminuer fortement les temps de réponses des capteurs de tailles micrométriques.

Les laboratoires sur puce sont des dispositifs intégrés rassemblant, sur un substrat miniaturisé, une ou plusieurs fonctions de laboratoire, généralement dédiées à la manipulation d'échantillons chimiques ou biologiques. L'objectif de ces travaux est l'intégration dans les microsystèmes d'un polymère intelligent, le poly(N-isopropylacrylamide) (pnipam), afin de développer une nouvelle filière technologique pour les laboratoires sur puce. Le pnipam est un polymère thermosensible subissant un changement réversible, d'un état hydrophile et gonflé sous sa température de transition (lcst ~32°C) à un état hydrophobe et replié au-delà. La technologie développée repose sur des éléments chauffants et un protocole de greffage du pnipam sur des surfaces. Nos travaux montrent que le contrôle thermique du pnipam permet de moduler le flux électroosmotique, ouvrant ainsi la voie au développement de mélangeurs électrocinétiques. Ce contrôle permet également l'accrochage, partiellement réversible, de protéines sur des billes fonctionnalisées, pour des applications dans le domaine de la préparation d'échantillon.

Les développements actuels liés à l'ingénierie tissulaire et aux microtechnologies permettent aujourd'hui de proposer de nouveaux outils de criblages in vitro pour les études de toxicité. Nous proposons de développer une biopuce à cellules mimant un organe in vitro. Afin de valider notre approche, nous présentons l'influence du microenvironnement sur la culture de lignées cellulaires rénales (MDCK) et hépatiques (HepG2/C3A). <br />Dans cette étude, nous avons testé trois débits (0, 10 et 25 µL/min) et trois ensemencements cellulaires. Enfin, nous avons soumis notre biopuce à trois chargements de chlorure d'ammonium (0, 5 et 10 mM) afin de démontrer le potentiel de ce modèle pour de futures applications liées à la toxicité. L'activité cellulaire en biopuce a été suivie par la prolifération des cellules, les consommations de glucose et de glutamine, les productions d'albumine et d'ammoniac et enfin, par l'activité enzymatique de détoxification des CYP 1A.<br />En condition dynamique, il a été observé une augmentation des consommations et des productions cellulaires au regard des conditions statiques. L'activité de détoxification des CYP 1A a été également accrue. En présence du chlorure d'ammonium les réponses cellulaires furent similaires en biopuce au regard des conditions de culture standard en Pétri. De plus, le chlorure d'ammonium a semblé induire l'activité des CYP 1A en biopuce. <br />Par cette étude, nous montrons la pertinence de notre biopuce pour des tests de toxicité in vitro en condition dynamique. Ce nouveau modèle de culture cellulaire in vitro pourra à terme être applicable aux études de criblages dans les industries chimiques, pharmaceutiques et cosmétiques.